有源滤波器在低压配电网络中的应用

摘要：本文介绍了有源滤波器在低压配电网络中的应用，通过实时监测供电线路中变频器、变速传动装置、各种直流电源等设备产生的高次谐波，动态抑制高次谐波，消除谐波电流对供电网络中设备的危害,降低能源的浪费,提高供电质量，保证供电设备及用电设备的安全运行。

关键词：配电；谐波；滤波；补偿；有源滤波器

0引言

随着烟草行业的飞速发展,设备技术改造接踵而来，业内已开始把节能减排作为重点工作全面启动并实施。在新完成的技术改造项目中，控制设备采用了大量的变频器设备。但变频器设备的非线性负载属性会给生产配电电网系统中注入大量的谐波电流。谐波电流在电网阳抗上产生的压降，会使电压波形变成非正弦，造成生产用电环境恶化，出现变压器温度升高、电容补偿器损坏,电缆发热绝缘下降,自动化生产线通讯网络严重受干扰，设备信息记录和传输数据不完整，数据丢失等故障发生。有源滤波器作为在配电网终中抑制或消除高次谐波的设备，可以提高设备运行的可靠性及企业设备的供电质量,减少因设备误动作而造成的经济损失及谐波电流在输配电线路上产生的热损，从而降低用电设备发热，提高设备的使用寿命并减少绝缘老化及设备的维护费用，可减少谐波对系统信号传输的影响，增加系统可靠性和电网供电质量，保证供电网络高效运行。

1系统介绍

有源电力滤波器是一种可动态抑制谐波的新型电力电子装置。其原理是用补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流抵消补偿对象中检测出的谐波电流，*终使电网电流只含基波分量。这种滤波器可保护补偿特性不受电网阻抗的影响，并对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿。有源电力滤波器具备高度可控性和响应性，其补偿性能优于传统方式，能够克服无源滤波器的各种缺点，具有一机多能的特点,既能补偿各次谐波，亦能抑制闪变、补偿无功。此外,还具有:

(1)自适应能力强，可自动跟踪补偿频率和幅值都在变化的谐波，对补偿对象快速响应，并实时动态补偿。

(2)可同时对谐波和无功电流进行补偿，补偿程度连续可调。

(3)补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波电流时所需的储能元件也不大。

(4)滤波特性不受系统阻抗的影响，不易与系统阻抗发生谐振。

2系统工作原理

有源电力滤波器工作原理如图1所示。

图1有源滤波器工作原理

先检测出补偿对象的电流瞬时值，随后通过指令电流运算电路得出谐波补偿电流的指令信号。该信号控制变流器产生的补偿电流可抵消负载电流中的谐波成份及无功电流，*终获得期望的电源电流。其补偿谐波的等效电路图如图2所示

图2补偿谐波的等效电路图

从图2中可以得到电网侧的谐波电流，可用下式描述:

Ish=ILh-Ich

只要控制有源电力滤波器的输出电流Ich使其满足Ich=lLh,即可使电网侧的谐波电流Ish=0。

3低压配电系统的安装与应用

本系统选择厂区内制丝设备、空调机组、空压机及除尘设备等3个不同变频负载用的变压器作为试验测试对象，在安装有源滤波器前后，分别进行满载测试，并详细记录相关数据，具体结果所述如下:

3#2000KVA变压器负载主要是制丝车间动力设备，由于制丝设备大量使用变频器,变频器作为典型的非线性负载，在工作过程中同时也作为谐波源,发出了大量的谐波电流，导致变压器副边侧电流波形发生严重畸变。3#变压器正常运行负荷电流在1270A左右，在设备正常运行状态下测试出5次谐波电流56A,7次谐波电流37A，11次谐波电流30A，电流畸变率达到6.5%，总谐波电流达到1270X6.5%=82.55A。从测试图上看电流波形已经出现严重畸变，电能质量受到了非常严重的影响,在变压器副边侧并联接入一台150A有源滤波器对谐波进行集中治理。

4#变压器负载主要是动力车间21组空调机组，每组空调机组有2-3台75kW变频器变赖器作为典型的非线性负载，在工作过程中同时也作为谐波源,发出了大量的谐波电流,导致变压器副边侧电流波形发生严重畸变。4#变正常运行负荷电流在880A左右，在设备正常运行状态下测试,5次谐波电流高达185A,7次谐波达到71A，11次谐波达到37A，13次谐波达到18A、19次谐波达到14A23次谐波达到24A，电流畸变率达到23.7%，总谐波电流达到880X23.7%=208.56A。从测试图上看电流波形已经出现严重畸变,电能质量受到了非常严重的影响，在变压器副边侧并联接入两台150A有源滤波装置对谐波进行集中治理。

6#变压器负载主要是动力车间的4台空压机、2台真空泵及除尘系统，这些设备使用了大功率变频器。变频器作为典型的非线性负载，在工作过程中同时也是谐波源，发出了大量的谐波电流，导致变压器副边侧电流波形发生严重奇变。6#变运行负荷电流在1800A左右，在设备正常运行状态下测试,5次谐波达到223A、7次谐波达到73A、11次谐波达到49、13次谐波达到22A、17次谐波达到23A，电流畸变率达到13.5%，总谐波电流达到1800X13.5%=243A从测试图上看电流波形已经出现严重踏变，电能质量受到了非常严重的影响,在变压器副边制并联接入2台150A有源滤波装置对谐波进行集中治理。

详见对3#2000kVA变压器低压线制补偿前与补偿后测试数据的对比图，见图3。

图13#2000KVA变压器低压出线侧补偿前

的谐波电流、谐波电压及波形图

图33#2000KVA变压器低压出线侧补偿后的

谐波电流、谐波电压及波形图

4数据分析

(1)3#2000kVA变压器补偿前的电流畸变率(THDI)平均为6.5%,补偿以后降为2.2%,电压畸变率(THDU)为2.4%,补偿后降为1.6%，电流波形补偿前后有明显变化，波形正弦化。谐波电流补偿率为87.26%，总补偿效果超出75%。补偿后总电流有明显下降，补偿效果比较理想。

(2)4#2000kVA变压器补偿前的电流畸变率(THDI)平均为23.7%,补偿以后降为6.4%电压畸变率(THDU)为4.9%,补偿后降为3.0%,电流波形补偿前后有明显变化,波形接近正弦。谐波电流补偿率为84.92%，总补偿效果超出75%。补偿后总电流有明显下降，总的补偿效果比较理想。

(3)6#2000kVA变压器补偿前的电流畸变率(THDI)平均为13.5%,补偿以后降为2.9%，电压畸变率(THDU)为3.3%,补偿后降为1.7%,电流波形补偿前后有明显变化，波形接近正弦。谐波电流补偿率为87.71%,总补偿效果超出75%。补偿后总电流有明显下降，总的补偿效果比较理想。

(4)系统谐波得到了有效的降低，波形全部均可得到明显改善。在设备容量之内补偿率大于75%;当超出设备补偿容量时，设备按*大输出能力补偿。变压器电流畸变率降低到了6.5%以下，电能质量会得到有效的提高。

(5)电能消耗得到有效的节约和控制，经过谐波治理，电能消耗可以得到节约和控制，设备运行总电流得到下降,节约能耗在10%以上。

5安科瑞APF有源滤波器产品选型

5.1产品特点

(1)DSP+FPGA控制方式，响应时间短，全数字控制算法，运行稳定；

(2)一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对2～51次谐波进行全补偿或特定次谐波进行补偿；

(3)具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能；

(4)模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作和维护；

(6)输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响；

(7)多机并联，达到较高的电流输出等级；

5.2型号说明

5.3尺寸说明

5.4产品实物展示

ANAPF有源滤波器

6安科瑞智能电容器产品选型

6.1产品概述

AZC/AZCL系列智能电容器是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。具有体积更小，功耗更低，维护方便，使用寿命长，可靠性高的特点，适应现代电网对无功补偿的更高要求。

AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器，可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路，自动寻找适宜投入（切除）点，实现过零投切，具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。

6.2型号说明

AZC系列智能电容器选型：

AZCL系列智能电容器选型：

6.3产品实物展示

AZC系列智能电容模块AZCL系列智能电容模块

安科瑞无功补偿装置智能电容方案

7结束语

经过谐波治理后，电能质量得到提高，用电环境得到明显改善，谐波电流在输配电线路及设备上产生的热损失减少,绝缘老化程度降低，设备的维护费用减少，设备的使用寿命延长，生产效率得到提高。同时抑制了谐波对信息化管理底层自控网络的干扰，增加了信息化管理系统的稳定可靠性运行,综合经济效益显著，对企业高效快速发展有着非常重要的意义。